微軟和Quantinuum宣佈在量子糾錯方面取得重大突破


微軟和Quantinuum今天宣佈在量子糾錯方面取得重大突破。利用Quantinuum的離子阱硬件和微軟的新型量子比特虛擬化系統,研究小組能夠在運行超過14,000次實驗時不出現任何錯誤。這一新系統還允許團隊檢查邏輯量子比特,並在不破壞邏輯量子比特的情況下糾正遇到的任何錯誤。

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這兩傢公司表示,現在量子計算的最先進技術已經走出通常被稱為"嘈雜中間規模量子(NISQ)計算機"的時代。之所以說"嘈雜",是因為即使是環境中最微小的變化,也會導致量子系統從本質上變得隨機(或"解旋");之所以說"中間規模",是因為目前的量子計算機最多仍局限於一千多個量子比特。量子比特是量子系統計算的基本單位,類似於傳統計算機中的比特,但每個量子比特可以同時處於多種狀態,並且在測量之前不會落入特定位置,這就是量子在計算能力方面實現巨大飛躍的潛力所在。

如果來不及運行一個基本算法,系統就會變得過於嘈雜,無法得到有用的結果,或者根本得不到任何結果,那麼你有多少個比特也就不重要。

結合幾種不同的技術,該團隊能夠在幾乎沒有錯誤的情況下運行數千次實驗。這需要做大量的準備工作,並預先選擇那些看起來已經具備成功運行條件的系統,但與不久前的情況相比,這仍然是一個巨大的進步。

這是量子計算朝著正確方向邁出的一步。還有很多問題有待解決(當然,這些結果也需要復制),但從理論上講,一臺擁有 100 個這樣的邏輯量子比特的計算機已經可以用於解決一些問題,而一臺擁有 1000 個量子比特的機器,正如微軟所說,可以"釋放商業優勢"。


糾纏的量子比特之間的差異(誤差)。通過比較一對量子比特中每個量子比特的圖像可以發現差異,存在的任何差異都會以點的形式出現在每對量子比特的中心圖像上。

研究小組使用 Quantinuum 的H2賽道陷波離子量子處理器,將 30 個物理量子比特組合成四個高度可靠的邏輯量子比特。將多個物理量子位編碼成一個邏輯量子位有助於保護系統不出錯。物理量子位糾纏在一起,這樣就有可能檢測到物理量子位中的錯誤並加以修復。

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長期以來,糾錯一直困擾著業界:當然,物理比特的噪聲越小、質量越高越好,但如果沒有先進的糾錯技術,NISQ 時代就無從談起,因為這些系統遲早都會解體。

"僅僅增加具有高錯誤率的物理量子比特的數量而不提高錯誤率是徒勞的,因為這樣做將導致大型量子計算機的功能並不比以前更強大,"Azure Quantum總經理丹尼斯-湯姆(Dennis Tom)和微軟高級量子開發副總裁克裡斯塔-斯沃爾(Krysta Svore)在今天的公告中寫道。"與此相反,當具有足夠運行質量的物理量子比特與專門的協調和診斷系統配合使用以啟用虛擬量子比特時,隻有這樣,物理量子比特數量的增加才會帶來強大、容錯的量子計算機,從而能夠執行更長時間、更復雜的計算。"

幾年前,邏輯量子比特的性能才開始超過物理量子比特。現在,微軟和 Quantinuum 認為,他們的新硬件/軟件系統展示物理和邏輯錯誤率之間的最大差距,比隻使用物理比特的系統提高 800 倍。

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研究人員指出,要超越 NISQ,邏輯量子比特和物理量子比特的錯誤率之間必須有很大的差距,還必須能夠糾正單個電路錯誤,並在至少兩個邏輯量子比特之間產生糾纏。如果這些結果成立,那麼該團隊就實現這三點,我們也就進入彈性量子計算時代。

事實證明,這裡最重要的成果可能是該團隊執行"主動綜合征提取"的能力,即在不破壞邏輯量子比特的情況下診斷錯誤並糾正錯誤的能力。

湯姆和斯沃爾解釋說:"這一成就標志著我們在不破壞邏輯量子比特的情況下糾正錯誤邁出第一步,是量子糾錯領域的一個基本裡程碑。我們的量子比特虛擬化系統展示可靠量子計算的這一關鍵組成部分,在多輪綜合征提取中實現較低的邏輯錯誤率"。

現在就看量子界的其他成員能否復制這些成果,並實現類似的糾錯系統,這可能隻是時間問題。

Quantinuum創始人兼首席產品官伊利亞斯-汗(Ilyas Khan)表示:"今天的成果標志著一項歷史性的成就,是雙方合作不斷推動量子生態系統發展的絕佳體現。微軟最先進的糾錯技術與世界上最強大的量子計算機和完全集成的方法相得益彰,我們對量子應用的下一步發展感到非常興奮,迫不及待地想看到我們的客戶和合作夥伴將如何從我們的解決方案中獲益,尤其是在我們向量子處理器規模化發展的過程中。"

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